“現(xiàn)代生物儀器分析”課程實驗教學(xué)模式探索

胡茂志，王志峰，王赪胤

[摘 要] 為了提高“現(xiàn)代生物儀器分析”課程的實驗教學(xué)效果，針對該課程教學(xué)過程中存在的問題，分別從實驗課程的設(shè)置、技術(shù)的發(fā)展前沿、學(xué)科專業(yè)的科研需求、儀器的特點、實驗室的質(zhì)量管理和理論聯(lián)系實際的考核評價等方面，對其實驗教學(xué)模式進(jìn)行了探索，并通過實踐形成了一套“研究生現(xiàn)代化分析測試技術(shù)實踐教學(xué)體系”，增強(qiáng)了學(xué)生對現(xiàn)代生物儀器分析技術(shù)的理解和掌握，不僅提高了教學(xué)質(zhì)量與教學(xué)效果，而且也培養(yǎng)了學(xué)生的創(chuàng)新精神和實踐能力。

[關(guān)鍵詞] 現(xiàn)代生物儀器分析;實驗教學(xué);教學(xué)改革

[基金項目] 2015年度江蘇省高校實驗室研究會研究課題“大型儀器實驗技術(shù)隊伍建設(shè)與管理研究”

[作者簡介] 胡茂志（1976—），男，山東臨沂人，博士，揚州大學(xué)測試中心副研究員，主要從事現(xiàn)代生物儀器分析技術(shù)理論及教學(xué)研究;王志峰（1980—），男，江蘇揚州人，博士，揚州大學(xué)測試中心助理研究員，主要從事現(xiàn)代儀器分析技術(shù)理論及教學(xué)研究;王赪胤（1967—），男，江蘇蘇州人，博士，揚州大學(xué)測試中心教授，主要從事現(xiàn)代儀器分析技術(shù)理論及教學(xué)研究。

[中圖分類號] G642? ?[文獻(xiàn)標(biāo)識碼] A? ?[文章編號] 1674-9324（2021）46-0109-04? ? [收稿日期] 2021-05-30

一、引言

“現(xiàn)代生物儀器分析”是面向生物技術(shù)專業(yè)研究生的一門重要的專業(yè)技術(shù)課程，在我校涉及生物學(xué)、醫(yī)學(xué)、獸醫(yī)學(xué)、農(nóng)學(xué)、食品科學(xué)和環(huán)境科學(xué)等多個專業(yè)的學(xué)生。教學(xué)內(nèi)容不僅要求掌握儀器分析的技術(shù)原理，而且要求緊跟先進(jìn)技術(shù)的國際發(fā)展前沿，目前已被多個學(xué)院列為研究生專業(yè)學(xué)位的必修課程。2015年國務(wù)院要求高等學(xué)校全面深化高校創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)教育改革。目前，多個學(xué)院已經(jīng)開設(shè)了常規(guī)的儀器分析課程。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，大型科學(xué)儀器分析技術(shù)在生物學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用已越來越廣泛。特別是在當(dāng)前“大眾創(chuàng)業(yè)，萬眾創(chuàng)新”的大環(huán)境下，常規(guī)的分析技術(shù)已經(jīng)不能滿足當(dāng)前創(chuàng)新、創(chuàng)業(yè)的需求，因此，必須將現(xiàn)代大型生物儀器分析技術(shù)融入研究生的培養(yǎng)過程，以提高研究生的培養(yǎng)質(zhì)量。

揚州大學(xué)自2002年以來就對先進(jìn)大型儀器設(shè)備進(jìn)行集中共享管理。在教學(xué)方面，已經(jīng)開設(shè)以大型儀器分析技術(shù)為主的“現(xiàn)代生物儀器分析”課程十余年。隨著技術(shù)的發(fā)展和科研需求的提高，對該課程教學(xué)的要求也不斷提高。由于大型科學(xué)儀器設(shè)備多為國外進(jìn)口，精密昂貴，損壞后修復(fù)成本高，所以該類課程一般以理論知識講解為主，儀器演示實驗（參觀）為輔。在長期的教學(xué)過程中發(fā)現(xiàn)，該課程內(nèi)容不僅教師難教，而且學(xué)生也難學(xué)。研究生運用現(xiàn)代分析技術(shù)能力的需求與研究生實踐不足之間的矛盾已成為研究生培養(yǎng)過程中亟待解決的問題。如何提高該課程的教學(xué)質(zhì)量，近年來，我校按照該課程的教學(xué)要求，對教學(xué)模式進(jìn)行了探索，密切結(jié)合我校學(xué)科專業(yè)的發(fā)展方向，開展了專業(yè)研究方向與大型儀器實驗設(shè)計相結(jié)合的實驗教學(xué)模式，形成了一套“研究生現(xiàn)代化分析測試技術(shù)實踐教學(xué)體系”，取得了較好的實踐效果。

二、“現(xiàn)代生物儀器分析”教學(xué)模式的構(gòu)建與實踐

（一）結(jié)合研究生的培養(yǎng)過程，分階段設(shè)置實驗課程

“現(xiàn)代生物儀器分析”課程的實驗教學(xué)要求與本科生實驗教學(xué)要求不同。本科生的實驗教學(xué)一般側(cè)重于常規(guī)的既定實驗方法的學(xué)習(xí)，操作步驟一般按圖索驥式地進(jìn)行，而研究生的培養(yǎng)則需要調(diào)動他們的主觀能動性，充分利用現(xiàn)代化的技術(shù)手段來分析問題和解決問題。針對目前存在的問題，我校結(jié)合研究生的培養(yǎng)過程，將該課程分為兩個階段來實施，學(xué)生可以根據(jù)需要自由選課。

在新生入學(xué)的第一學(xué)期開設(shè)了研究生公選課“現(xiàn)代分析測試技術(shù)與儀器”，介紹當(dāng)前現(xiàn)代生物儀器分析技術(shù)的現(xiàn)狀和對我校相關(guān)科研的支撐作用，通過參觀實驗室、成果展和技術(shù)交流等方式，讓學(xué)生初步了解大型儀器分析技術(shù)。通過一些重要科研成果（如諾貝爾獎等）、典型事例、國內(nèi)外重大新聞以及當(dāng)前的熱點話題等來激發(fā)學(xué)生的好奇心和探索未知世界的興趣。例如，結(jié)合目前新型冠狀病毒肺炎疫情的爆發(fā)，從疾病的診斷、病毒的分離鑒定、基因序列的比對分析、病毒的致病機(jī)理、藥物的篩選，以及疫苗的研發(fā)與效果評價等不同方面，講述現(xiàn)代儀器在不同過程中的作用等。

經(jīng)過一年的專業(yè)學(xué)習(xí)，在第一學(xué)年結(jié)束時，集中一個星期的時間，我們又開設(shè)了研究生公選課“儀器分析樣品處理和實驗操作技術(shù)”。此時，研究生培養(yǎng)已經(jīng)進(jìn)入了開題階段，并且對實驗室或?qū)煹难芯糠较蛴辛顺醪降牧私猓撜n程的設(shè)置正好與其銜接，將大型儀器設(shè)備技術(shù)融入其課題的設(shè)計過程中。例如，某學(xué)生在進(jìn)行疫苗相關(guān)的研究設(shè)計時，需要利用流式細(xì)胞術(shù)等技術(shù)進(jìn)行疫苗效果的評價。這時就需要詳細(xì)考慮實驗的整個過程，包括細(xì)胞樣品的來源、檢測哪些指標(biāo)、樣品怎樣處理及數(shù)據(jù)如何分析等。對該技術(shù)的理解就不會僅停留在表面上，而是會積極參與并主動跟教師交流探討，通過實戰(zhàn)式的訓(xùn)練，在不增加額外負(fù)擔(dān)的情況下可以取得更加實用的效果。

通過多年的實驗教學(xué)實踐，將課程的設(shè)置與研究生的培養(yǎng)過程有機(jī)結(jié)合，具有較強(qiáng)的針對性和實戰(zhàn)性，既得到了研究生指導(dǎo)教師的認(rèn)可，也極大地吸引了研究生的參與。每年的選課人數(shù)達(dá)200人左右。

（二）結(jié)合技術(shù)的發(fā)展前沿，緊跟國際先進(jìn)技術(shù)水平

科學(xué)研究的發(fā)展與創(chuàng)新離不開技術(shù)的革新。實驗技術(shù)隊伍是高校大型儀器平臺建設(shè)發(fā)展的骨干力量。高校人才培養(yǎng)體系中需要一支穩(wěn)定且水平高的專業(yè)化實驗技術(shù)隊伍，這是實現(xiàn)高水平人才培養(yǎng)的重要保障[1]。因此，實驗技術(shù)隊伍的穩(wěn)定和技術(shù)水平是影響實驗教學(xué)的關(guān)鍵因素之一。

我校負(fù)責(zé)大型儀器設(shè)備技術(shù)的技術(shù)人員多數(shù)具有博士學(xué)位，并具有參與重大科研項目的經(jīng)歷。在“現(xiàn)代生物儀器分析”課程教學(xué)過程中，每位任課教師均由負(fù)責(zé)大型儀器設(shè)備技術(shù)并且經(jīng)驗豐富的技術(shù)人員擔(dān)任。我校鼓勵技術(shù)人員結(jié)合學(xué)校科研實際進(jìn)行大型儀器技術(shù)的二次開發(fā)。從樣品前處理、實驗測試到數(shù)據(jù)分析，每一個環(huán)節(jié)都可能成為技術(shù)研究的靶點。另外，為了使大型儀器技術(shù)水平與國際接軌，必須了解相關(guān)技術(shù)的國際發(fā)展前沿。這樣，在技術(shù)開發(fā)過程中，技術(shù)人員便會通過不同的渠道關(guān)注技術(shù)的國際水平，以提高自身的技術(shù)水平。例如，邀請國際著名的技術(shù)專家進(jìn)行講學(xué)、派出技術(shù)人員出國培訓(xùn)及與兄弟院校進(jìn)行技術(shù)交流等。此外，每家公司的不同型號的儀器都有各自的優(yōu)勢，對于不同的測試目的，可以對研究生的樣品測試提供可操作性的建議，指導(dǎo)其利用哪種型號的儀器進(jìn)行實驗更合適。除此之外，生物儀器的樣品分析往往需要對生物樣品進(jìn)行前處理后才能測試。對于樣品量較多、面向?qū)W科廣泛的儀器，往往由多名具有不同學(xué)科專業(yè)背景的技術(shù)人員負(fù)責(zé)，更好地發(fā)揮與學(xué)科發(fā)展的交融，如電子顯微鏡的觀察分析等。這既提高了儀器的利用率和使用效率，推動了學(xué)校科研的發(fā)展，又有助于技術(shù)人員自身水平的提高，穩(wěn)定了實驗技術(shù)隊伍，豐富了實驗教學(xué)內(nèi)容。

（三）結(jié)合學(xué)校科研發(fā)展的需求，突出實驗教學(xué)內(nèi)容與科研需求的融合

為學(xué)校教學(xué)、科研服務(wù)是高校測試中心的主要職責(zé)之一。大型儀器的添置必須以學(xué)科的發(fā)展為核心。

一般來說，學(xué)科的科研往往專業(yè)性比較強(qiáng)，而實驗技術(shù)人員的研究則更偏重于技術(shù)的開發(fā)，如大型儀器測試方法與技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的研究、科學(xué)儀器的升級改造、公共教學(xué)體系的建設(shè)和技能培訓(xùn)等。兩者相輔相成，相互促進(jìn)。專業(yè)的科學(xué)研究需要先進(jìn)的技術(shù)來支撐，而先進(jìn)的大型科學(xué)儀器設(shè)備技術(shù)又能促進(jìn)科學(xué)研究的創(chuàng)新。兩者若能夠有機(jī)融合，則可以起到事半功倍的效果。平時，技術(shù)人員需要了解相關(guān)學(xué)科專業(yè)和研究生指導(dǎo)教師的研究方向，結(jié)合其實驗室學(xué)生的日常測試內(nèi)容，注意收集、整理典型測試事例和成果案例，將其融入實驗課程的教學(xué)過程。另外，某些測試數(shù)據(jù)的分析還需要了解樣品的背景知識，如流式細(xì)胞術(shù)樣品分析，需要清楚該樣品的物種來源、細(xì)胞種類、標(biāo)記分子的特性及實驗?zāi)康牡龋拍芨玫卦O(shè)門和設(shè)置參數(shù)并進(jìn)行科學(xué)的分析。此外，對于學(xué)科專業(yè)科研過程中的技術(shù)瓶頸問題，也可以融合學(xué)科專業(yè)人員和實驗技術(shù)人員的優(yōu)勢，進(jìn)行聯(lián)合攻關(guān)。將這些日常積累的典型事例融入實驗教學(xué)過程中，可以強(qiáng)化研究生與教師的互動，理論結(jié)合實際，既符合我校科研發(fā)展的實際情況，又能激發(fā)學(xué)生的科研興趣。

（四）結(jié)合儀器技術(shù)的特點，采取合適的實驗教學(xué)模式

現(xiàn)代生物儀器往往結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，原理比較抽象。在該課程的教學(xué)過程中，以效果最大化為目標(biāo)，應(yīng)用現(xiàn)代化教學(xué)手段，實驗教學(xué)模式可以多種多樣，具體由負(fù)責(zé)教師根據(jù)日常測試過程中的實際情況來設(shè)置。目前，我校除了常規(guī)的樣品前處理和儀器操作實驗教學(xué)模式外，負(fù)責(zé)流式細(xì)胞術(shù)、高內(nèi)涵細(xì)胞成像技術(shù)、圓二色光譜技術(shù)和透射電鏡技術(shù)等技術(shù)的教師還制作了多媒體、實驗操作和講解視頻及虛擬仿真動畫等，形象、生動地展示了相關(guān)技術(shù)的原理、樣品處理和數(shù)據(jù)分析等全過程。研究生不僅可以在實驗教學(xué)過程中學(xué)習(xí)，而且還可以根據(jù)科研的實際需要反復(fù)觀看，彌補了常規(guī)實驗課儀器設(shè)備臺數(shù)不足的缺陷。特別是在疫情期間，在減少人員接觸的情況下發(fā)揮了較好的作用。

另外，在教學(xué)過程中，對于樣品制備、儀器原理和應(yīng)用范圍等方面相近的儀器分析技術(shù)，往往整合在一起來講，既闡述其相似點，又突出其差異。如流式細(xì)胞儀、共聚焦顯微鏡、高內(nèi)涵細(xì)胞成像系統(tǒng)等都可以對細(xì)胞樣品進(jìn)行分析，并且樣品的前處理過程中均涉及熒光染料的標(biāo)記，在熒光染料的選擇和多種熒光素的組合使用方面具有同樣的要求，因此，將這些技術(shù)進(jìn)行歸納和對比來進(jìn)行實驗教學(xué)，可以使學(xué)生既有全面、整體的認(rèn)識，又有個性化的了解，便于科研過程中有選擇地應(yīng)用。

此外，由于不同學(xué)校的學(xué)科專業(yè)不同，所添置的儀器設(shè)備種類也不同。目前，關(guān)于該課程尚無統(tǒng)一完整的教材可以參考。為了進(jìn)一步補充和完善實驗教學(xué)內(nèi)容，我們組織經(jīng)驗豐富的技術(shù)人員編寫了“現(xiàn)代生物儀器分析”教材，內(nèi)容包括儀器分析技術(shù)的基本原理、樣品處理、數(shù)據(jù)分析和在不同學(xué)科領(lǐng)域的應(yīng)用等，該教材目前已被我校推薦為研究生精品教材。

除此之外，隨著我國綜合國力的增強(qiáng)，越來越多的外國留學(xué)生選擇到中國攻讀博士或碩士學(xué)位。因此，留學(xué)生的培養(yǎng)質(zhì)量也不能忽視。由于語言交流的障礙，我們專門組織相關(guān)教師進(jìn)行輔導(dǎo)。從實驗設(shè)計、樣品測試和結(jié)果分析等方面進(jìn)行全方位的講解，為他們順利開展論文研究奠定了基礎(chǔ)。

（五）結(jié)合質(zhì)量管理體系的要求，強(qiáng)化儀器分析的規(guī)范化管理

現(xiàn)代大型科學(xué)儀器一般對實驗室的要求比較高，并且需要專人維護(hù)和管理。為了保證儀器的正常狀態(tài)，根據(jù)《中華人民共和國計量法》及其實施細(xì)則、《中華人民共和國認(rèn)證認(rèn)可條例》等法律、行政法規(guī)的規(guī)定，我們自2004年開始申請并獲得了國家實驗室資質(zhì)認(rèn)定（China Metrology Accredidation，CMA）合格證書，嚴(yán)格按照實驗室質(zhì)量管理體系的要求開展工作，并多次通過教育部高校評審組的復(fù)查和擴(kuò)項評審。我們組織人員對每臺儀器編寫了作業(yè)指導(dǎo)書，定期進(jìn)行儀器的校準(zhǔn)和標(biāo)準(zhǔn)的核查，積極參加教育行業(yè)儀器分析方法通則和儀器校準(zhǔn)規(guī)范的修訂，以及教育部高校評審組和認(rèn)監(jiān)委組織的能力驗證。既保證了實驗室的正常運行和技術(shù)能力的提高，又給學(xué)生起到了很好的示范作用。

（六）結(jié)合課題的研究方向，注重理論聯(lián)系實際的考核評價

“現(xiàn)代生物儀器分析”課程根據(jù)學(xué)時數(shù)設(shè)置了適當(dāng)?shù)膶W(xué)分，需要有一定的考核方式和成績。單純考試的方法容易導(dǎo)致學(xué)生為通過考試拿到學(xué)分而學(xué)，分?jǐn)?shù)取代學(xué)習(xí)效果成為他們最關(guān)心的問題。探索合理的評價考核方法可以促使學(xué)生重視平時的學(xué)習(xí)過程，關(guān)心能力的鍛煉多于關(guān)心學(xué)分的獲得。為了避免“重理論而輕實踐”的現(xiàn)象，我們強(qiáng)化技術(shù)與課題研究方向的有機(jī)結(jié)合，鼓勵研究生理論聯(lián)系實際，在獲得課程學(xué)分的同時，極大地提升課題的實驗設(shè)計，得到導(dǎo)師和研究生的好評。

經(jīng)過一年的專業(yè)學(xué)習(xí)，研究生已經(jīng)初步掌握了相關(guān)專業(yè)的知識，通過聽師兄師姐的課題匯報等途徑，不斷了解和掌握了導(dǎo)師的研究方向。此時，在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，對自己所要開展的課題研究也有了初步的了解。結(jié)合該課程的實驗教學(xué)，可以明確哪門技術(shù)可以融合到自己的課題中。然后，通過查閱資料，提出問題，并利用相關(guān)技術(shù)來解決問題。這不僅提升了研究生課題的設(shè)計，而且也提高了學(xué)生提出問題并分析問題的思維能力。

三、教學(xué)模式的實踐效果

社會經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展需要研究生層次的人才具有運用現(xiàn)代分析技術(shù)解決實際問題的能力。通過強(qiáng)化實踐訓(xùn)練，有利于研究生技能的掌握與形成。對于具有科研創(chuàng)新精神的研究生，鼓勵他們結(jié)合感興趣的實驗內(nèi)容親自操作儀器，提高分析問題和解決問題的能力。目前，我們已經(jīng)開展多次操作技能培訓(xùn)，近百人獲得儀器操作證，在儀器空閑時間可以相對獨立地開展實驗研究。該實踐教學(xué)體系的實施，極大地提高了研究生的科研論文質(zhì)量。如獸醫(yī)學(xué)院臨床獸醫(yī)學(xué)博士生利用流式細(xì)胞儀開展重金屬中毒方面的研究，其博士論文獲評“全國百篇優(yōu)秀博士學(xué)位論文”等。

科研儀器是支撐科技進(jìn)步和創(chuàng)新的重要物質(zhì)基礎(chǔ)，也是引領(lǐng)前沿科技創(chuàng)新、吸引頂尖人才的重要手段，其規(guī)模、質(zhì)量和利用效率直接關(guān)系到國家科技創(chuàng)新的實力和競爭力[2]。近年來，國家連續(xù)出臺了多項政策，要求加快推進(jìn)科研設(shè)施與儀器的開放共享。“現(xiàn)代生物儀器分析”課程的教學(xué)正是滿足這一要求的良好平臺。通過實驗教學(xué)，可以促進(jìn)高端儀器功能的高效率發(fā)揮。“現(xiàn)代生物儀器分析”課程的內(nèi)容是不斷發(fā)展的，其實驗教學(xué)方法也不應(yīng)是固定不變的，而是要符合當(dāng)前儀器發(fā)展的現(xiàn)狀，既要強(qiáng)調(diào)實用性，又要有前沿性。為了更好地理論聯(lián)系實際，突出實效性，一方面，需要考慮儀器技術(shù)的發(fā)展前沿，了解技術(shù)的發(fā)展動態(tài)，不斷擴(kuò)展其在不同領(lǐng)域的應(yīng)用，將新的技術(shù)和應(yīng)用融入實驗教學(xué)過程中;另一方面，還要考慮學(xué)科專業(yè)的發(fā)展實際，使學(xué)生在接受新技術(shù)的同時能夠很容易地與自己的專業(yè)方向結(jié)合起來，提高課程的感染力和吸引力。

參考文獻(xiàn)

[1]封振宇，冉棟剛，占金華.高校大型儀器平臺的一流技術(shù)人才隊伍建設(shè)[J].實驗室科學(xué)，2020，23（5）：176-179+183.

[2]吳月輝.高端儀器，還需要高效率[N].人民日報，2019-05-14（12）.

Exploration on the Experimental Teaching of Modern Biological Instrument Analysis Course

HU Mao-zhia，b， WANG Zhi-fenga， WANG Cheng-yina

（a. Testing Center， b. Jiangsu Co-innovation Center for Prevention and Control of Important Animal Infectious Diseases and Zoonoses， Yangzhou University， Yangzhou， Jiangsu 225009， China）

Abstract： In order to improve the experimental teaching effect of Modern Biological Instrument Analysis course， this research aims at the problems in the course of teaching， explores the experimental teaching model from the aspects of the setting of experimental course， the development of technology， the scientific research needs of the disciplines， the characteristics of instruments， the quality management of laboratory， and the assessment and evaluation of the integration of theory with practice. And a set of practice teaching systems for postgraduate modern analysis and testing technology have been formed in the practice， which can enhance students understanding of modern bio-instrument analysis technology. This system can not only improve the teaching quality and teaching effect， but also cultivate students innovative spirit and practical ability.

Key words： Modern Biological Instrument Analysis; experimental teaching; teaching reform